1、 申请代码 D0512 受理部门 收件日期 受理编号 国家自然科学基金 国家自然科学基金 申 请 书 申 请 书(2 0 1 1 版)(2 0 1 1 版)资助类别：青年科学基金项目 亚类说明：附注说明：项目名称：北方农田土壤固碳减排能力对 CO2 浓度升高的响应研究 申 请 人：李迎春 电话：82106030 依托单位：中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所 通讯地址：北京市海淀区中关村南大街 12 号中日中心楼 228 室 邮政编码：100081 单位电话：010-82109560 电子邮箱： 申报日期：2011年3月1日 国家自然科学基金委员会 国家自然科学基金申请书 2011 版 第
2、 2 页 版本 1.001.503 基本信息基本信息 vF6xCdTB 申 请 人 信 息 申 请 人 信 息 姓名 李李迎春 性别女 出生 年月 1980 年 10 月 民 族 汉族 学位 博士 职称助理研究员每年工作时间（月）9 电话 82106030 电子邮箱 传真 82105998 国别或地区 中国 个 人 通 讯 地 址 北京市海淀区中关村南大街 12 号中日中心楼 228 室 工作单位 中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所 主 要 研 究 领 域 气候变化与温室气体排放和减排 依托单位信息依托单位信息名称 中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所 联系人 杨春莉 电子邮箱 电话
3、 010-82109560 网站地址 合作研究单位信息 合作研究单位信息 单 位 名 称 项 目 基 本 信 息项 目 基 本 信 息 项目名称 北北方农田土壤固碳减排能力对 CO2 浓度升高的响应研究 资助类别 青年科学基金项目 亚 类 说 明 附注说明 申请代码 D0512:大气环境与全球气候变化 基地类别 农业部农业环境与气候变化重点开放实验室部门开放 研究期限 2012 年 1 月 2014 年 12 月 研究属性 应用基础研究 申请经费 22.0000 万元 摘 要(限 400 字)：摘 要(限 400 字)：农田生态系统既是重要的温室气体排放源，也是巨大的碳库。随着社会经济的发展，
4、大气中 CO2 的浓度仍将继续增加。因此，正确理解 CO2 浓度升高条件下，农田土壤固碳量和温室气体排放的变化规律，对于评价我国未来农田土壤固碳潜力和温室气体排放量具有重要的意义。本研究依托中-澳 MiniFACE 试验平台，以北方典型的冬小麦生态系统为研究对象，采用田间试验和室内分析相结合的方法，对比研究自由大气 CO2 浓度升高和常规自由大气条件下，农田土壤有机碳的动态变化和温室气体排放量的变化规律，明确 CO2 浓度升高对农田土壤碳储量和温室气体排放的影响，分析土壤-小麦体系的碳、氮养分运移与土壤有机碳固定和温室气体排放之间的关系，阐明农田土壤有机碳和温室气体排放对 CO2 浓度升高的响
5、应特征，探讨 CO2 浓度升高对农田土壤固碳减排能力的影响机制，为预测我国未来农田土壤固碳量和温室气体排放量提供科学依据。关 键 词关 键 词(用分号分开，最多 5 个)土壤有机碳；温室气体排放；CO2 浓度升高；响应 国家自然科学基金申请书 2011 版 第 3 页 版本 1.001.503 项目组主要参与者项目组主要参与者（注:项目组主要参与者不包括项目申请人）编号 姓 名 出生年月 性别职 称 学 位 单位名称 电话 电子邮箱 项目分工 每年工作时间（月）1 林林而达 1947-4-29 男 研究员 硕士 中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所82105998 指导固碳减排的计算 2
6、2 黄黄树青 1983-01-13 男 博士后 博士 中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所82105985 田间样品的采集和测定 4 3 韩韩雪 1985-01-10 女 博士生 硕士 中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所82105985 田间试验的测定5 4 黄黄焕平 1988-8-10 男 硕士生 学士 中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所82105985 田间试验样品的采集 6 5 6 7 8 9 总人数 高级 中级 初级 博士后 博士生 硕士生 5 1 1 0 1 1 1 说明:高级、中级、初级、博士后、博士生、硕士生人员数由申请人负责填报（含申请人），总人数由各分项自动加
7、和产生。国家自然科学基金申请书 2011 版 第 4 页 版本 1.001.503 经费申请表经费申请表 （金额单位：万元）科目 申请经费 备注（计算依据与说明）一.研究经费 一.研究经费 15.7000 1.科研业务费 12.2000 （1）测试/计算/分析费 8.1000温室气体排放量、有机碳、土壤和植物养分测定，共计 8.1 万元（2）能源/动力费 （3）会议费/差旅费 2.6000参加国内减排固碳会议以及差旅费 1.8 万元，往返试验地的交通费 0.8 万元（4）出版物/文献/信息传播费 1.5000参加国内减排固碳会议以及差旅费 1.8 万元，往返试验地的交通费 0.8 万元（5）其
8、他 2.实验材料费 3.5000 （1）原材料/试剂/药品购置费 3.5000采样用的注射器、气袋以及土壤碳试验用的基本试剂（2）其他 3.仪器设备费 0.0000 （1）购置 （2）试制 4.实验室改装费 5.协作费 二.国际合作与交流费 二.国际合作与交流费 2.2000 1.项目组成员出国合作交流 2.2000拟派项目成员参加非CO2温室气体国际会议一人次2.境外专家来华合作交流 三.劳务费 三.劳务费 3.0000试验劳务费和研究生劳务费 四.管理费 四.管理费 1.1按 5%计算，22*5%=1.1 合 计 合 计 22.0000 与本项目相关的 其他经费来源 国家其他计划资助经费
9、其他经费资助（含部门匹配）其他经费来源合计 其他经费来源合计 0.0000 国家自然科学基金申请书 2011 版 第 5 页 申请者在撰写报告正文时，请遵照以下要求：1、请先选定项目基本信息中的资助类别，再填写报告正文；2、在撰写过程中，不得删除系统已生成的撰写提纲（如误删可点击“查看报告正文撰写提纲”按钮，通过复制/粘贴恢复）；3、请将每部分内容填写在提纲下留出的空白区域处；4、本要求将作为申请书正文撰写是否规范的评判依据，请遵照要求填写。报告正文 报告正文青年科学基金项目申请书撰写提纲 青年科学基金项目申请书撰写提纲 （一）立项依据与研究内容（一）立项依据与研究内容（4000-8000 字
10、）：1.1.项目的立项依据项目的立项依据（研究意义、国内外研究现状及发展动态分析，需结合科学研究发展趋势来论述科学意义；或结合国民经济和社会发展中迫切需要解决的关键科技问题来论述其应用前景。附主要参考文献目录）大气 CO2等温室气体浓度升高引起的气候变化已成为不争的事实，随着京都议定书的生效，国际社会正在不断加强对控制全球气候变化而努力（IGBP，1998）。2009年 11月 26日，中国向全世界做出郑重承诺：到 2020年，中国单位国内生产总值（GDP）的 CO2排放量比 2005年下降 40%-45%，并将此作为约束性指标纳入国民经济和社会发展中长期规划。为了实现我国 2020 年的温室
11、气体排放控制目标，需要各行各业做出共同的努力。除了减少单位 GDP 的能源消耗外，减少农田温室气体排放，增加林业和农田土壤的固碳量也是完成减排目标的重要途径。农田土壤也是一个巨大的碳库，据估计，全球土壤中储存着 1500 Pg 的有机碳，是大气碳库的 3倍、约为陆地生物量的 2-5 倍（IPCC，2001）。联合国粮农组织（FAO）在哥本哈根气候变化大会提议，要进一步重视农业碳汇问题。土壤碳库的增加，即增加农田土壤碳固定，不仅可使退化土壤得恢复，提高作物生产力（Lal R.,2004）；而且可作为有效地中长期 CO2 减排途径（Antle J.,et al.,2002）。并且农田土壤固碳潜力研
12、究得到了科学界的普遍关注（Lal R.,2004;Six J.,et al.,2002;West T.O.,et al.,2007）。农田土壤固碳潜力是区域或国家农业土地的整体固碳能力（潘根兴等，2007），受人类活动、土壤特性和自环境的共同影响（Six J.,et al.,2002;Smith P.,et al.,2005）。有研究指出，保护性耕作有利于土壤碳的固定（王新建等，2009），配合秸秆覆盖，能够进一步增强农田土壤固碳能力（蔡丽群等，2009；许淑青等，2009）。有机无机配施相对于秸秆还田和化肥配施能维持和提高土壤有机碳含量和活性有机碳所占比例（张璐 国家自然科学基金申请书 20
13、11 版 第 6 页 等，2009）。不同施氮水平、不同的耕作方式和经营管理对土壤有机碳的影响也不同（郭胜利等，2009；陈茜等，2009；王峰等，2009；孟凡乔等，2009；孟静娟等，2009）。在土壤性质方面，土壤中有机碳含量与粘粒含量呈正相关（Nichols J.D.,et al.,1984;Hassink J.,et al.,1997;Konen M.E.,et al.,2003），从而使有机碳与粘粒结合后表现出很强的化学稳定性（Six J.,et al.,2000）。在自然环境方面，温度和水分等因子不仅影响着土壤有机碳的分解和固定，如水分影响土壤固有有机碳的矿化分解和外源有机碳的降
14、解，温度升高能够促进有机碳的分解（周莉等，2005）；而且由于气候条件改变造成的土壤理化性状变化如土壤温度、土壤湿度、土壤微生物等也影响着土壤温室气体的排放（Hohan et al.，2000；杜睿等，2003；焦燕等，2003；叶欣等，2005；刘运通等，2008）。还影响着土壤中温室气体的排放。此外，农田土壤温室气体排放与农田土壤有机碳的含量有关。黄耀等人（2002）对 18 种土壤的小麦盆栽试验研究表明，N2O 的排放随土壤有机碳含量的增加而减少，有机碳含量低的土壤 N2O 排放较高；C/N 比越高，微生物的吸收活动导致 N2O 的产生与排放减少。Teepe（2000）等人的研究也发现，
15、N2O的排放与有机碳呈负相关。总之土壤对有机碳的保持是多种条件影响下的输入输出动态平衡的结果（孙文娟等，2008）。根据 IPCC 第四次评估报告的预测，即使采取一定的减排措施，大气中的温室气体浓度仍将继续增加，按目前的温室气体排放水平估计，2050 年，大气中 CO2浓度将从现在的 380ppm升至 550ppm。目前，在预测和评估我国未来农田土壤固碳潜力和温室气体排放量时，都是以当前自然生态环境下的试验研究结果为依据，缺乏对未来气候变化条件农田土壤固碳能力和温室气体排放的影响研究。因此，研究大气目前，在预测和评估我国未来农田土壤固碳潜力和温室气体排放量时，都是以当前自然生态环境下的试验研究
16、结果为依据，缺乏对未来气候变化条件农田土壤固碳能力和温室气体排放的影响研究。因此，研究大气 CO2浓度升高条件下，农田土壤有机碳和温室气体排放的变化，分析浓度升高条件下，农田土壤有机碳和温室气体排放的变化，分析 CO2浓度升高对农田土壤固碳能力和温室气体排放的影响，对正确评价和预测我国未来农田土壤固碳减排潜力具有重要的意义。浓度升高对农田土壤固碳能力和温室气体排放的影响，对正确评价和预测我国未来农田土壤固碳减排潜力具有重要的意义。由于 CO2是光合作用的基本原料，CO2浓度的增加将直接影响作物的生长发育及其相关过程。因此从上个世纪末，人们就开始研究 CO2浓度升高对土壤-植物生态系统的影响。而
17、准确控制试验过程中 CO2 的浓度，是研究 CO2浓度升高对作物影响的关键。CO2浓度升高对作物影响及其机理的研究方法和手段主要经历了密闭气室、半开放梯度系统、开顶式气室及开放式 CO2 富集系统（Free-air CO2 Enrichment，FACE；包括微型系统（MiniFACE）等主要形式。其中，密闭气室多用于个体植株或植株幼苗的模拟实验，不能开展群体及农田实验；半开放梯度系统 CTGC 可以控制 CO2 浓度梯度以及温度等因子，但它与自然环境差异较大，各因子的控制精度也有待提高；开顶式气室 OTC空间较小、CO2 扩散低、浓度控制较好、费用节约，但实验空间有限且不易重复，对牧草等矮秆
18、植物的试验精度明显，而对高秆作物不适宜。与前三种研究手段相比，FACE圈没有隔离设施，气体在田间自由流通，系统内部的通风、光照和温湿度等条件处在自然生态环境中，最接近于自然环境状态，模拟精度较高，更适用于农艺措施和农作系统 国家自然科学基金申请书 2011 版 第 7 页 研究。FACE 的基本原理是在自然状态下，向目标作物全生育期人为增施 CO2，并使之稳定在一定浓度水平，研究作物在高 CO2 浓度条件下的个体、群体水平上的生理、生态、产量和品质等反应和变化，以及作物生长发育与其他气候因子、碳氮循环等之间的关系。由于 CO2自然扩散问题，FACE实验的设施和气体消耗投入巨大。MiniFACE
19、 与 FACE 的原理功能相同，但是能够大幅度降低 CO2消耗，并视为 FACE的重要替代研究手段。目前相关学者的多数研究主要是集中在大气中 CO2浓度增高对不同作物的光合效率、生长发育和产量品质等方面的研究（唐如航等，1998；黄建晔等，2002；白莉萍等，2005；李军营等，2006；潘红丽等，2007；刘红江等，2009），以及 CO2浓度对养分的吸收利用和土壤呼吸等方面的研究（Bernhardt E.S.,et al.,2006;Yang L.,et al.,2007；刘红江等，2008）。关于 CO2浓度升高对农田土壤有机碳和温室气体排放影响的相关研究还不多（Steven W.,et
20、 al.,1996;Rainer M.,2009），而且已有的研究多是以草地和林地生态系统为研究对象（Johan S.,et al.,2001;Ross D.J.,et al.,2004;Feike A.,et al.,2005;Allard V.,et al.,2005;Marcel R.,et al.,2006）。关于 CO2浓度升高对土壤有机碳的影响方面的研究，有学者认为 CO2 浓度升高对土壤微生物量碳的影响受土壤氮素水平制约（赵光影等，2009），CO2浓度升高和提高氮肥用量将加快农田和林地土壤有机碳的更新（寇太记等，2009；Marcel R.,et al.,2006），但是将导致
21、林地土壤中总有机碳的降低(Marcel R.,et al.,2006)。也有研究认为，由于 CO2浓度增加会刺激作物生长，导致植株特别是根生物量积累增加，有助于土壤微生物从植物根中获得更多的碳源作为反硝化所需能量，从而促进 N2O 的排放。而 Ineson 等人（1998）的研究表明，CO2浓度升高对 N2O 排放与草地类型和施肥量有关，施肥量低时有降低各类草地 N2O 排放的趋势，但是 CO2浓度升高促进了 CH4的排放。由此可知，不同的作物的类型、品种和氮肥施用量以及 CO2浓度升高，对土壤有机碳和温室气体排放的影响结果也可能不同。由于目前关于 CO2浓度升高对冬小麦农田土壤固碳量和温室气
22、体排放影响的数据还很缺乏，因此该问题成为预测未来我国北方农田土壤固碳量和温室气体排放量过程中需要紧迫解决的问题之一。本研究以北方典型的冬小麦农田生态系统为研究对象，通过人为方式增加自由大气中本研究以北方典型的冬小麦农田生态系统为研究对象，通过人为方式增加自由大气中 CO2的浓度，在没有改变作物自由生长环境的条件下，模拟未来气候条件特征，研究土壤有机碳组分及其含量动态变化和温室气体排放的变化规律，阐明农田土壤有机碳和温室气体排放对的浓度，在没有改变作物自由生长环境的条件下，模拟未来气候条件特征，研究土壤有机碳组分及其含量动态变化和温室气体排放的变化规律，阐明农田土壤有机碳和温室气体排放对 CO2
23、浓度升高的响应特征，为预测我国未来农田土壤固碳潜力和温室气体排放量提供科学依据。浓度升高的响应特征，为预测我国未来农田土壤固碳潜力和温室气体排放量提供科学依据。主要参考文献 1.Allard V.,Newton P.C.D.,Lieffering M.,et al.Increased quantity and quality of coarse soil organic matter fraction at elevated CO2 in a grazed grassland are a consequence of enhanced root growth rate and turnover
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44、业科学,2009,42(5):1646-1655.国家自然科学基金申请书 2011 版 第 11 页 51.赵光影,刘景双,王洋,等.CO2浓度升高对三江平原典型湿地土壤活性有机碳的影响.农业系统科学与综合研究,2009,25(1):84-90.52.周 莉,李保国,周广胜.土壤有机碳的主导影响因子及其研究进展.地球科学进展,2005,20(1):99-105.2.2.项目的研究内容、研究目标,以及拟解决的关键科学问题。项目的研究内容、研究目标,以及拟解决的关键科学问题。（此部分为重点阐述内容）（1）研究内容 以中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所已建立的 MiniFACE 为试验平台，依
45、托平台中已经具备的试验设备和场所，在北京市昌平区中国农业科学院试验站开展以下研究：1）农田土壤固碳能力对 CO2 浓度升高的响应特征 以北方典型的冬小麦农田生态系统为研究对象，对比研究开放式 CO2浓度升高和常规自由大气条件下，不同氮肥处理中土壤总有机碳、活性有机碳和微生物生物量碳含量的动态变化，评价大气 CO2浓度升高和不同氮肥用量对农田土壤有机碳组分和稳定性的影响，分析 CO2 浓度升高和不同氮肥用量对农田土壤固碳能力的影响，阐明农田土壤固碳能力对 CO2 浓度升高的响应特征。2）农田土壤温室气体排放对 CO2 浓度升高的响应特征 采用静态箱-气相色谱法，测定开放式 CO2浓度升高和常规自
46、由大气条件下的农田土壤温室气体（CO2、CH4和 N2O）排放量，对比研究两种 CO2浓度处理中，不同氮肥处理的农田土壤 CO2、CH4和 N2O 的放量及其排放规律的差异，分析 CO2浓度升高和不同氮肥施用量对农田土壤温室气体排放的影响，阐明农田土壤温室气体排放对 CO2浓度升高的响应特征。3）CO2 浓度升高对农田土壤固碳减排能力的影响机制 动态观测土壤全氮、有效氮、C/N、小麦植株体内碳、氮含量的变化趋势，分析碳、氮养分在土壤-小麦体系运移规律的变化，综合评估碳、氮养分运移与土壤固碳能力和温室气体排放之间的相互关系和协同效应，探讨 CO2 浓度升高对农田土壤固碳能力和温室气体排放的影响机
47、制。（2）研究目标 利用基于 MiniFACE 平台的小麦田间试验，揭示开放式 CO2浓度升高条件下，农田 国家自然科学基金申请书 2011 版 第 12 页 土壤有机碳库和温室气体排放的变化规律，分析 CO2浓度升高对农田生态系统碳储量和温室气体排放的影响，明确农田土壤固碳减排能力对 CO2浓度升高的响应特征，探讨 CO2浓度升高对农田土壤固碳减排能力的影响机制，为预测我国北方农田土壤固碳潜力和温室气体排放量提供理论依据和科学基础。（3）拟解决的关键科学问题 1）定量评价 CO2浓度升高对农田土壤固碳能力的影响；2）定量分析 CO2浓度升高对农田土壤温室气体排放的影响；3）探讨 CO2浓度升
48、高对农田土壤固碳减排能力的影响机制。3.3.拟采取的研究方案及可行性分析。拟采取的研究方案及可行性分析。（包括有关方法、技术路线、实验手段、关键技术等说明）（1）拟采取的研究方案 1）试验设计）试验设计 本试验以中国农业科学院 MiniFACE 为试验平台，采用裂区设计，CO2浓度为主处理，N肥为副处理，磷肥和钾肥均为常规施用量，试验各处理重复 3次。试验共设置 6个 FACE试验圈和 6个对照圈，圈的直径为 4m，各圈之间的南北向间隔为 18m，东西向间隔为 17m。FACE 圈的目标浓度为 55060ppm，FACE 圈和常规自由大气对照圈（ambient）内各设常规氮肥（NN，188 k
49、g/hm2）和低氮肥（LN，84 kg/hm2）2个处理，各处理的磷、钾肥用量相同，磷肥（P2O5）用量为 165kg/hm2，钾肥（K2O）用量为 90kg/hm2，播种时磷肥和钾肥全部为底肥，50%的氮肥作为底肥在播种时施用，50%的氮肥在拔节期作为追肥施用，灌溉、耕作和施肥等管理措施均为常规方式。2）测定项目及方法）测定项目及方法 研究一：农田土壤固碳能力对研究一：农田土壤固碳能力对 CO2浓度升高的响应浓度升高的响应 在小麦的苗期、起身期、拔节期、抽穗期、开花期和成熟期，测定各处理的土壤总有机碳量、活有机碳量和微生物生物量碳，分析小麦整个期土壤有机碳各组分的动态变化。土壤总有机碳采用外
50、加热重铬酸钾氧化法测定，活性有机碳采用KMnO4氧化法测定，微生物生物量碳采用氯仿熏蒸法测定。研究二：农田土壤温室气体排放对研究二：农田土壤温室气体排放对 CO2浓度升高的响应浓度升高的响应 在小麦整个生长季，采用静态箱-气相色谱法每周测定一次农田土壤温室气体排放量。然后根据公式计算出温室气体排放强度，得出两种 CO2浓度处理中，温室气体排放的季节变化规律，分析 CO2浓度升高对农田土壤温室气体排放的影响。收集气体样品的 国家自然科学基金申请书 2011 版 第 13 页 同时，由气象自动观测站测定土壤的温度、湿度和空气的温度和湿度。()tTcTcTHF=11220/F 代表气体排放通量（mg
